水声学原理第六章1

College of Underwater Acoustic Engineering
23
常见声纳目标的目标强度的一般特征
鱼目标强度 鱼是探鱼声纳的目标 单个鱼体的研究 英国Cushing（1963年）等人的研究结果: 1）测量对象：鲟鱼、比目鱼、鲈鱼、青鱼等死鱼， 安装薄膜塑料人工鱼鳔。 2）实验条件：声波频率30kHz，声束由上向下垂直 照射到鱼脊背上，鱼处于正常游动状态。
College of Underwater Acoustic Engineering
8
目标强度
刚性大球的目标强度
>
从 θi 到 θi dθi 入射的声波被限制 在 θ1 到 θ2 的范 围内。
2 1 <
o o
散射声功率：
dWr Ir 2 πr2 sin 2θi 2 dθi
College of Underwater Acoustic Engineering
College of Underwater Acoustic Engineering
14
常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度 随测量距离的变化 近距离处潜艇目标强度测量值有可能小于远 距离处的目标强度测量值，其原因是： 1）当使用指向性声纳在近处进行目标强度测量时， 由于指向性的关系，声束不能照射到目标的全部； 2）某些几何形状比较复杂物体的回声随距离的衰减 规律不同于点源声场。 问题：如何解释？
6
目标强度
目标强度概念 目标的声中心：假想的点，可位于目标的内部或 外部，回声由该点发出。 收发分置（bistatic）：回声强度是入射方向和 回声方向的函数。 收发合置（monostatic）：回声强度仅是入射方 向的函数，即为反向反射或反向散射。 提示：多数声纳为收发合置型的，本章主要讨论反 向反射情况下的目标回声问题。 问题：水下目标的目标强度是大于零还是小于零？ 为什么？
2
声影区的概念 传播损失（近距离/远距离）
深海负梯度
声线的特点与极限声线 几何作用距离的概念
深海负跃层
概念 对声传播的影响
均匀浅海声场
传播损失与距离的关系（近/中等/远距离） 虚源表示的基本思想
College of Underwater Acoustic Engineering
College of Underwater Acoustic Engineering
25
本讲作业
目标强度TS是如何定义的？其物理意义 为何？目标强度值可以大于零，这是为 什么？
在高频远场条件下，简单地用能量守恒 关系推出半径为a的刚性球目标强度TS 值的表达式。
College of Underwater Acoustic Engineering
College of Underwater Acoustic Engineering
20
常见声纳目标的目标强度的一般特征
鱼雷和水雷目标强度
College of Underwater Acoustic Engineering
21
常见声纳目标的目标强度的一般特征
鱼雷和水雷目标强度 形状：带平头或圆头的圆柱体 尺度：长度1米至数米，直径0.3米至1米 两者不同：鱼雷尾部安装有推进器；水雷雷体上 安装有翼及凹凸不平处。 目标强度的特点 1）正横方位或头部目标强度值较大——强镜反射 2）尾部和雷体上小的不规则部分目标强度值较小。
2）在远场（距离大于 r0），回声强度随距离的衰 减服从球面波规律，即 1 r 2。
3）若分别在近场和远场进行测量，然后按照球面 波规律归算到距目标声中心1m处，则结果必然 是远距离测量值大于近距离测量值。
提示：为了要得到稳定的测量结果，测量应在远 场进行，即测量距离 r L2 λ 。
College of Underwater Acoustic Engineering
13
常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度 随方位的变化 1）在艇的舷侧正横方向上，目标强度值最大，达 25dB，系由艇壳的镜反射引起； 2）在艇首和艇尾方向，目标强度最小，约10～15dB， 系由艇壳和尾流的遮蔽效应引起； 3）在艇首和艇尾20度附近，比相邻区域高出1～3dB， 可能是由潜艇的舱室结构的内反射产生； 4）在其它方向上呈圆形，系由潜艇的复杂结构以及 附属物产生散射的多种叠加。
College of Underwater Acoustic Engineering
19
常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度 随频率的变化 二战期间，人们曾用12、24和60千赫的频率 进行潜艇目标强度的测量，试图确定潜艇目标强 度的频率响应，但测量结果表明：潜艇目标强度 不存在明显的频率效应，如果有的话，也被实测 值的不确定性（离散性）所掩盖。 提示：潜艇目标的结构和几何形状十分复杂，产 生回声的机理是多种多样的。 随深度的变化 深度对目标强度值影响，不是影响了潜艇本 身，而是深度变化引起声传播规律的变化。 提示：深度对潜艇尾流回声有影响。
College of Underwater Acoustic Engineering
22
常见声纳目标的目标强度的一般特征
鱼雷和水雷目标强度
正横方位上圆柱形物体的目标强度：
TS 10 lg aL2 2λ
式中，a为圆柱半径，L为圆柱长，λ 是声波波长 举例：若 a 0.2m ， L 1.5m ，λ 0.03m，可得目标 强度值 TS 9dB 。该值与水雷正横方向上的测量值 基本相符。 提示：鱼雷和水雷的目标强度也随方位、频率、脉 冲宽度和测量距离变化，大体与潜艇的相类似。
18
常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度
随脉冲宽度的变化
1）随着脉冲长度的增加，对回声有贡献的物体表面 积相应增大；
2）脉冲长度由短逐渐变长时，目标强度值也由小逐 渐变大，直到脉冲长度变为 0 2Lsinθ c 后，目标 强度值就不再随脉冲长度的变化而变化。
提示：TS随脉冲宽度的变化关系决定了TS测量时的 最小脉冲宽度；在正横方向上目标强度随脉冲长 度变化的现象不明显。因为这时目标在入射波方 向上的长度很小，并且几何镜反射是形成回声的 主要过程；当测量目标上的单个亮点处的目标强 度时，该效应也不显著（脉宽减小效应）。
18艘潜艇正横方 向目标强度直方图
College of Underwater Acoustic Engineering
12
常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度 随方位的变化 潜艇目标强度与方位角关系曲线呈“蝴蝶形”图 形。
潜艇目标 强度随方 位的变化
College of Underwater Acoustic Engineering
College of Underwater Acoustic Engineering
24
常见声纳目标的目标强度的一般特征
鱼目标强度 单个鱼体的研究 3）测量结果：鱼体长与目标 强度的关系如右图。图中直 线为TS值与10lgV之间的关系， V是鱼的体积。 鱼群的研究 视鱼群为一个整体，如果鱼群由N条相距较 大的鱼所组成，则鱼群总目标强度为TS+10lgN， 其中TS是单个鱼体目标强度值。
3
本讲主要内容
目标强度
目标强度概念 刚性大球的目标强度
常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度 鱼雷和水雷的目标强度 鱼的目标强度
பைடு நூலகம்
College of Underwater Acoustic Engineering
4
目标强度
目标强度概念 水下目标 1）军事目标：潜艇、鱼雷、水雷 2）民用目标：鱼群 3）无限伸展非均匀体：深水散射层、海面、海底等 研究声纳目标回波特性的意义 A）主动声纳目标检测和识别的依据 B）对声纳设备的设计和应用有重要意义
第六章 声波在目标上的反 射和散射
第十五讲 目标强度及常见声纳目标的目 标强度的一般特征
第五章知识要点
邻近海面的水下点源声场
声压振幅随距离的变化特征（近场/远场） 传播损失
表面声道
表面声道特征 反转深度、临界声线、跨度的概念 传播损失（近距离/远距离）
深海声道
深海声道特征
College of Underwater Acoustic Engineering
College of Underwater Acoustic Engineering
7
目标强度
刚性大球的目标强度 大球：ka>>1，k为波数 刚性：声能不会透入球体内部 反射声线：局部平面镜反射定律 理想反射体：声能无损失地被球面所反射
θi 到 θi dθi 范围内的入射声功率：
dWi Iidscosθi ds 2 πa2sinθidθi
26
TS1 10 lg Ar1 / Ii
TS2 10 lg Ar0 / Ii
College of Underwater Acoustic Engineering
16
常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度
随测量距离的变化
1）在近场（距离小于 r0），回声强度随距离的衰 减服从柱面波规律，即 1 r 。
College of Underwater Acoustic Engineering
15
常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度
随测量距离的变化 以长为L的柱体
目标强度测量为例： 近距离处：I A / r1 远距离处：I B / r22 过渡距离：A / r0 B / r02 解得： B Ar0
10
常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度 问题：潜艇不同方位的目标强度是否一样？
艇 首
正横方向
College of Underwater Acoustic Engineering
11
常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度 潜艇的目标强度与方位、频率、脉冲宽度、深度 和测量距离等因素有关。 测试艇：柴油动力潜艇 时间：二战前后。 正横方向：12～40dB， 平均值25dB
College of Underwater Acoustic Engineering
5
目标强度
目标强度概念 定义：目标强度TS定量描述目标声反射本领的大 小，其定义为
TS 10lg Ir Ii r1
式中， Ii 为入射声波强度； Ir 为离目标声中心1米处的回声强度。
College of Underwater Acoustic Engineering
17
常见声纳目标的目标强度的一般特征
潜艇的目标强度 随脉冲宽度的变化
设入射波脉冲长度为 ，若物体表面上A点和B点 所产生的回声在脉冲宽度 内被同时接收到，则有：
B
A t1
t
t2 t
BD c 2
AB sin c 2
2Lsin / c
College of Underwater Acoustic Engineering
9
目标强度
刚性大球的目标强度 根据入射声功率等于散射声功率有：
dWi dWr
求得
Ir Ii
a2 4r2
刚性大球的目标强度：
TS 10lg Ir
a2 10lg
Ii r1
4
结论：TS值与声波频率无关，只与球半径有关。 提示：尤立克《水声原理》应用能量守恒进行推导
College of Underwater Acoustic Engineering